專利名稱：半導體發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體發(fā)光元件，特別涉及GaN系半導體發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
近年，作為藍色的半導體發(fā)光元件，已知有使用了 GaN系半導體的 半導體發(fā)光元件。組合了藍色的半導體發(fā)光元件和黃色的發(fā)光體的白色 LIZD作為移動電話等的LED背光源來使用的需求正在增大。此外，由于 白色LED具有功耗低、壽命長的特點，因此可以期待今后被作為替代熒 光燈、白熾燈等的光源來使用。
以往的GaN系半導體發(fā)光元件是在藍寶石襯底上依次結(jié)晶生長了 GaN緩沖層、n型GaN層、發(fā)光層、p型GaN層的結(jié)構(gòu)。然而，在以往 的這種結(jié)構(gòu)中，存在如下問題由于p型GaN層的折射率與跟p型GaN 層相接的空氣、樹脂的折射率的差較大，導致在p型GaN層和與p型GaN 層相接的空氣、樹脂的界面的全反射角變小，所以在發(fā)光層產(chǎn)生的光的大 部分被與p型GaN層相接的空氣、樹脂的界面全反射，光取出效率較低。
例如，在半導體發(fā)光元件在空氣中發(fā)光時，GaN的折射率在光的波長 為450nm時為約2.5,所以p型GaN層與空氣的界面的全反射角較小，約 為24°。從發(fā)光層發(fā)出的、以大于該全反射角的角度入射到p型GaN層與 空氣的界面的光，被p型GaN層與空氣的界面全反射，因而無法從半導 體發(fā)光元件取出。
對于這個問題，提出有以發(fā)光波長程度的間隔在p型GaN層上周期 性地形成凹凸的方法(例如專利文獻1)。在這種結(jié)構(gòu)中，通過周期性地 形成的凹凸所引起的衍射效應來改變從發(fā)光層發(fā)出的光的前進方向，光被 衍射為不形成全反射的角度，所以半導體發(fā)光元件的光取出效率提高了 。
在p型GaN層上形成這種周期性地形成的凹凸時，首先在已結(jié)晶生 長的p型GaN層上形成抗蝕劑(resist),利用干涉曝光法等形成抗蝕圖 形(resist pattern )。之后，利用RIE法等干蝕刻除去沒有浮皮抗蝕圖形所覆
蓋的部分，從而在p型GaN層上形成凹凸。 專利文獻1 :特開2005-5679號公報

發(fā)明內(nèi)容
〔發(fā)明所要解決的課題〕
但是，在利用干蝕刻對p型GaN層進行了蝕刻的情況下，由于等離 子損傷(plasma damage),在被蝕刻后的p型GaN層的表面會產(chǎn)生氮空 穴。由于該氮空穴作為施主(donor)發(fā)揮作用，所以會導致在被蝕刻后的 p型GaN層的表面產(chǎn)生被n型化的部分。若在p型GaN層的表面的一部 分存在被n型化的部分，則該部分由于存在n/p結(jié)而從n側(cè)被"+"偏置， 所以成為逆偏置狀態(tài)，結(jié)果，導致半導體發(fā)光元件的正向電壓上升。而且， 被n型化的部分不僅被注入發(fā)光層的電流減少，并且p型GaN層的電阻
因此，需要利用濕蝕刻等方法來除去p型GaN層的被n型化了的部 分，而GaN的濕蝕刻不容易進行，也難以完全除去，而且還增加制造工 藝，由此導致制造成本增加。
本發(fā)明是鑒于這種情況而完成的，其目的在于提供一種提高了光取出 效率的半導體發(fā)光元件。
〔用于解決課題的手段〕
為了解決上述課題，本發(fā)明的一種方案的半導體發(fā)光元件，是在襯底 上層疊了 n型GaN層、發(fā)光層、p型GaN層的半導體發(fā)光元件，在p型 GaN層上，設(shè)置MgxZn, —xO層(0^x^0.5 )，在MgxZni —xO層(0^^0.5 ) 的表面，以二維的周期性間隔形成凹部或者凸部。
根據(jù)該方案，在MgxZn卜xO層(0￡x$0.5)的表面以二維的周期性間隔 形成有凹部或者凸部，所以來自發(fā)光層的光^皮衍射。書f射光中以小于MgxZn" \0層(03^).5)和與其相接的介質(zhì)的界面的全反射角的角度入射到界面的衍 射光不被全反射，被取出到半導體發(fā)光元件的外部。由于不是在p型GaN層， 而是在MgxZni-xO層(0$x￡0.5)形成有凹部或者凸部，所以干蝕刻時的 等離子不會直接濺到p型GaN層，不會引起損傷所造成的p型GaN層表 面的n型化，因此，不會使正向電壓上升，能夠提高光取出效率。而且， 由于不再需要以往所必需的干蝕刻后的濕蝕刻工藝，因此，能夠削減制造成本。
形成于MgxZni-xO層(05x^0.5 )的凹部或者凸部也可以^^配置成正方晶 格狀或者三角晶格狀。在配置成正方晶格狀時，能夠以二維的周期性間隔形成 凹部或者凸部。在配置成三角晶格狀時，可以^:高以二維的周期性間隔形成的 凹部或者凸部的密度，能良好地提高光取出效率。
本發(fā)明的另一方案也是半導體發(fā)光元件。該半導體發(fā)光元件是層疊了 p型 GaN層、發(fā)光層、n型GaN層的半導體發(fā)光元件，在n型GaN層的表面， 以二維的周期性間隔形成凹部或者凸部。
根據(jù)該方案，在n型GaN層的表面以二維的周期性間隔形成有凹部或者 凸部，所以來自發(fā)光層的光被衍射。衍射光中以小于n型GaN層和與其相接的 介質(zhì)的界面的全反射角的角度入射到界面的衍射光不被全反射，被取出到半導 體發(fā)光元件的外部。雖然由于對n型GaN層進行干蝕刻也會產(chǎn)生氮空穴，導 致n型GaN層16的表面n型化，但由于n型GaN層原本就是n型，所以 不會成為被施加逆偏置的狀態(tài)，正向電壓不會上升，能提高光取出效率。 在這種情況下，也不再需要以往所必需的干蝕刻后的濕蝕刻工藝，因此， 能夠削減制造成本。
形成于n型GaN層的凹部或者凸部，也可以被配置成正方晶格狀或者三 角晶格狀。在配置成正方晶格狀時，能夠以二維的周期性間隔形成凹部或者凸 部。在配置成三角晶格狀時，可以提高以二維的周期性間隔形成的凹部或者凸 部的密度，能很好地提高光取出效率。
本發(fā)明的另 一方案也是半導體發(fā)光元件。該半導體發(fā)'光元件在襯底上層疊 了 n型GaN層、發(fā)光層、p型GaN層，襯底是SiC襯底，在SiC襯底的表 面，以二維的周期性間隔形成凹部或者凸部。
根據(jù)該方案，在SiC襯底的表面，以二維的周期性間隔形成有凹部或者凸 部，所以從發(fā)光層向SiC襯底方向射出的光被衍射。由此能夠提高光取出效率。 即使對SiC襯底進行干蝕刻，也不會出現(xiàn)由于等離子損傷而導致正向電壓 上升的問題，所以易于加工。
形成于SiC襯底的凹部或者凸部，也可以被配置成正方晶格狀或者三角晶 格狀。在配置成正方晶格狀時，能夠以二維的周期性間隔形成凹部或者凸部。 在配置成三角晶格狀時，可以提高以二維的周期性間隔形成的凹部或者凸部的 密度，能很好地提高光取出效率。
也可以在p型GaN層上設(shè)置MgxZn,-xO層(05x^0.5)，在MgxZn"xO 層(0SxS0.5 )的表面，以二維的周期性間隔形成凹部或者凸部。在這種情況下， 在MgxZni -xO層(0^x^0.5 )的表面以二維的周期性間隔形成有凹部或者凸部， 所以從發(fā)光層向MgxZni—xO層(0^x^0.5)方向射出的光被衍射。衍射光中以 小于MgxZn卜xO層(0^x^0.5)和與其相接的介質(zhì)的界面的全反射角的角度， 入射到MgxZni-xO層(0$xS0.5)和與其相接的介質(zhì)的界面的衍射光能夠不被 全反射地耳又出到半導體發(fā)光元件的外部。
形成于MgxZn"xO層(0^x^0.5 )的凹部或者凸部，也可以^^配置成正方 晶格狀或者三角晶格狀。在配置成正方晶格狀時，能夠以二維的周期性間隔形 成凹部或者凸部。在配置成三角晶格狀時，可以提高以二維的周期性間隔形成 的凹部或者凸部的密度，能很好地提高光取出效率。 〔發(fā)明效果〕
通過本發(fā)明的半導體發(fā)光元件，能夠-提高光耳又出效率。


圖l是本發(fā)明的第1實施方式的半導體發(fā)光元件的剖面圖。 圖2是表示凹部的配置例的圖。 圖3是表示凹部的其他配置例的圖。 圖4是表示半導體發(fā)光元件的電流-亮度特性的圖。 圖5是用于說明凹部的周期性間隔的圖。 圖6是本發(fā)明的第2實施方式的半導體發(fā)光元件的剖面圖。 圖7是表示本發(fā)明的第2實施方式的半導體發(fā)光元件的變形例的圖。 圖8是本發(fā)明的第3實施方式的半導體發(fā)光元件的剖面圖。 圖9是本發(fā)明的第4實施方式的半導體發(fā)光元件的剖面圖。 〔標號說明〕
10半導體發(fā)光元件，12藍寶石襯底，14緩沖層，16n型GaN層， 18InGaN發(fā)光層，24 ZnO層，26p側(cè)電才及，28n側(cè)電才及，30凹部，32 p 型GaN層
具體實施例方式
圖l是本發(fā)明的第1實施方式的半導體發(fā)光元件的剖面圖。如圖1所
示，半導體發(fā)光元件IO是層疊了作為接觸層的n型GaN層16、 InGaN發(fā) 光層18、以及p型GaN層32的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN系半導體發(fā)光元件， 其中，所述p型GaN層32由作為包(clad)層的p型AlGaN層20和作 為接觸層的p型GaN22構(gòu)成。第1實施方式的半導體發(fā)光元件10的發(fā)光 觀測面是作為透明電極的ZnO層24側(cè)。另外，各附圖以說明各層等的位 置關(guān)系為目的，并非一定表示實際的尺寸關(guān)系。此外，在各實施方式中， 對于相同或?qū)慕Y(jié)構(gòu)要素標注相同的標號，并適當省略重復的說明。
半導體發(fā)光元件10利用使GaN系半導體在藍寶石襯底12上外延生長 而形成。
在藍寶石襯底12上設(shè)置緩沖層14。緩沖層14是使用PLD( Pulsed Laser Deposition:脈沖激光沉積)法以550°C左右的低溫形成的AlGaN的非晶 質(zhì)層。緩沖層14的厚度取10 20nm程度。緩沖層14是用于使結(jié)晶性良 好的GaN膜在藍寶石襯底12上生長的基底，具有作為防止與藍寶石襯底 12的晶格不匹配所導致的晶格缺陷增加的緩沖層的功能。而且，緩沖層 14也可以是結(jié)晶性的緩沖層。在這種情況下，以800 ~ 1000。C程度使AlGaN 結(jié)晶生長。使用結(jié)晶性緩沖層時的厚度沒有特殊限制，只要在10nm~ 100nm左右就足夠。
在緩沖層14上使用MOCVD法設(shè)置摻雜了 Si的n型GaN層16。 n 型GaN層16作為接觸層發(fā)揮作用。摻雜劑也可以是Ge。形成n型GaN 層16時藍寶石襯底12的溫度保持在1000 ~ 1200。C程度。若n型GaN層 16較薄，則n型GaN層16的薄膜電阻變高，會招致動作電壓的增加，所 以n型GaN層16的厚度優(yōu)選3 ~ 10,程度。該n型GaN層16也具有作 為n型包層的功能。
在n型GaN層16上使用MOCVD法設(shè)置InGaN發(fā)光層18。形成InGaN 發(fā)光層18時藍寶石襯底12的溫度保持在700 ~ IOOO'C程度。InGaN發(fā)光 層18具有交替地層疊了 InGaN層、和GaN層或In組分比小于發(fā)光的InGaN 層的InGaN層的多量子阱(MQW: Multiple Quantum Well)結(jié)構(gòu)。阱數(shù) 可以是5 10的程度。InGaN層的厚度取1 ~ 10nm程度，InGaN層取3 ~ 30nm程度。例如，InGaN層取3nm, GaN層取10nm。若增加InGaN層 的In組分比，則帶隙能量變小，發(fā)光峰值波長變長。因此，可以通過改變
nGaN層的In組分比或厚度來控制半導體發(fā)光元件10的發(fā)光波長。
也可以在InGaN發(fā)光層18上使用MOCVD法設(shè)置無摻雜GaN層(未 圖示)。無摻雜GaN層的厚度取10~ 100nm程度。該無摻雜GaN層作為 保護層發(fā)揮作用，具有防止在結(jié)晶生長過程中因InGaN發(fā)光層18成為高 溫而造成InGaN發(fā)光層18的結(jié)晶劣化的功能。
在InGaN發(fā)光層18上設(shè)置摻雜了 Mg的p型AlGaN層20。 p型AlGaN 層20也可以是p型GaN層。p型AlGaN層20作為包層發(fā)揮作用。形成p 型AlGaN層20時藍寶石襯底12的溫度保持在1000 ~ 1200。C程度。p型 AlGaN層20的厚度取0.1 ~ 0.3)im,例如取1.5pm左右。
在p.型AlGaN層20上設(shè)置摻雜了 Mg的p型GaN層22。 p型GaN 層22作為接觸層發(fā)揮作用。形成p型GaN層22時藍寶石襯底12的溫度 保持在700 ~ IOO(TC程度。p型GaN層22的厚度取20nm ~ 0.2pm程度。
在p型GaN層22上使用PLD法設(shè)置摻雜了 Ga的ZnO層24。 ZnO 層24也可以使用溶膠.凝膠法、熱CVD法等來形成。ZnO層24的厚度 取1 ~ 2lam程度。ZnO層24對于GaN系半導體發(fā)光元件的發(fā)光波長帶的 透射率較高，作為透明電極發(fā)揮作用。ZnO層24也可以是MgxZn,-xO層 (0:^0.5 )。
作為透明電極，雖然其他如ITO ( Indium Tin Oxide:銦錫氧化物)也 廣為人知，但存在如下這樣的問題當利用濺射法等形成ITO時，ITO所 包含的Sn相對于p型GaN層22成為n型的摻雜劑，p型GaN層22的表 面n型化，結(jié)果，導致半導體發(fā)光元件的正向電壓上升。而第1實施方式 中使用的ZnO層24，由于Zn相對于p型GaN層22成為p型的摻雜劑， 所以不會產(chǎn)生這樣的問題。而且，GaN和ZnO的結(jié)晶取同樣的纖鋅礦 (wuilzite)結(jié)構(gòu)，因此，易于獲得良好的分界面。
在ZnO層24的表面以二維的周期性間隔形成多個凹部30。所謂ZnO 層24的表面，是指與ZnO層24和p型GaN層22相接的面相對的面。圖 2是表示凹部30的配置例的圖。圖3是表示凹部30的其他配置例的圖。 凹部30也可以如圖2所示那樣配置形成正方晶格狀。在配置成正方晶格 狀的情況下，能夠以二維的周期性間隔形成凹部30。此外，凹部30也可 以如圖3所示那樣配置成三角晶格狀。在配置成三角晶格狀時，能夠提高以二 維的周期性間隔形成的凹部30的密度，能良好地-提高光取出效率。
凹部30的俯視形狀可以如圖2或圖3所示那樣為圓形，也可以是四角形或
六角形。其直徑或1邊的長度可以是100歷左右。凹部30的深度可以是500nm 左右。關(guān)于凹部30的優(yōu)選周期間隔，在后面敘述。
該凹部30通過如下步驟形成在ZnO層24上形成了抗蝕劑后，利用電 子束曝光法、納米壓印法等方法將抗蝕劑圖形化成所希望的形狀，以抗蝕 劑為掩模進行RIE法等的干蝕刻。
之后，通過蝕刻除去ZnO層24 、 p型GaN層22、 p型AlGaN層20、 InGaN發(fā)光層18和n型GaN層16的一部分區(qū)域。蝕刻到n型GaN層16 中部，在露出的n型GaN層16的上面形成n側(cè)電極28。 n側(cè)電極28是 歐姆接觸(ohmic contact),優(yōu)選接觸比電阻小并且熱穩(wěn)定的材料，可以使 用Al或者Ti/Al。為使其成為歐姆接觸，優(yōu)選在形成了 n側(cè)電極28之后， 以600。C程度進行燒結(jié)(sinter) 。 n側(cè)電極28的厚度可以是2500A左右。
最后，在ZnO層24上的沒有設(shè)置凹部的 一部分區(qū)域形成p側(cè)電極26。 P側(cè)電極26為了實現(xiàn)歐姆接觸可以利用Al、 Ti、 Ag等。關(guān)于p側(cè)電極26 的厚度，Pt可以是IOOOA左右，Au可以是3000A左右。p側(cè)電極26和n 側(cè)電極28可以使用蒸鍍法、濺射法來形成。
圖4是表示半導體發(fā)光元件的電流-亮度特性的圖。圖4的橫軸表示半 導體發(fā)光元件10的正向電流，縱軸表示亮度。曲線34表示沒有在ZnO層 24的表面形成凹部30時的電流-亮度特性，曲線36表示在ZnO層24的 表面形成了凹部30時的電流-亮度特性。如圖4所示，通過在ZnO層24 的表面形成凹部30，亮度得到提高。這意味著半導體發(fā)光元件10的光取 出效率得到提高。
第1實施方式的半導體發(fā)光元件10由于在ZnO層24的表面以二維 周期性間隔形成有凹部，所以來自InGaN發(fā)光層18的光被衍射。衍射光 中以小于在ZnO層24與空氣的界面的全反射角62的角度入射到界面的衍射光 不被全反射，被取出到半導體發(fā)光元件10的外部，因而能夠提高光取出效率。
第1實施方式的半導體發(fā)光元件10由于不是在p型GaN層22，而是 在ZnO層24形成有凹部，所以不會引起干蝕刻時的等離子損傷所造成的 p型GaN層22表面的n型化，因此，不會使正向電壓上升，能夠良好地 提高光取出效率。
圖5是用于說明凹部30的周期間隔的圖。所謂凹部30的周期間隔， 是指在二維的面內(nèi)縱或橫方向上相鄰的凹部中心之間的間隔。將周期間隔
記為Lz，將來自InGaN發(fā)光層18的光在空氣中的峰值波長記為X,將該波 長人在上述ZnO層24的折射率記為n^，將來自上述發(fā)光層的光入射到ZnO 層24與空氣層的界面時的全反射角記為ez。全反射角0z成為ez=sin—1 ( l/nzX), 因此，例如在設(shè)波長^450nm時的ZnO的折射率n^為2.3,空氣的折射率取為 1.0時，全反射角02約為25.8°。
在圖5中，從在ZnO層24中沿橫方向傳播的光48向與ZnO層24的法 線方向呈9m角的方向衍射的衍射光50和衍射光52相互增強的條件，可 以表示為
<formula>formula see original document page 14</formula>.........0)
m是整數(shù)，代表衍射光的次數(shù)。在式(1)中，左iiA示衍射光50與衍射 光52的相位差。在相位差是2兀的整數(shù)倍時，衍射光50與衍射光52相互增強。 若針對Lz將式(1 )進行變形，則式(1 )可以表示為。
<formula>formula see original document page 14</formula>2) nZA(1-sin0m)
在衍射光50與衍射光52相互增強的角度em小于全反射角9z時，即6m在
0^0^62的范圍內(nèi)時，相互增強的衍射光50與衍射光52不在ZnO層24 與空氣的界面發(fā)生全反射，能夠取出到半導體發(fā)光元件10的外部。即，當周期 間隔Lz在
〔式3〕
<formula>formula see original document page 14</formula>^^………(3) nzA(1-sin0z)
的范圍內(nèi)時，相互增強的衍射光50與衍射光52被射出到半導體發(fā)光元件 IO的外部。實質(zhì)上1次衍射光的強度最強，因此，可以以m-l來設(shè)定周期間 隔L,。即，優(yōu)選設(shè)定為滿足
<formula>formula see original document page 14</formula> -………(4)
的周期間隔Lz。例如，設(shè)波長、=450nm， ZnO的折射率nzf2.3， m=l,
0Z=25.8°，使用上述式(4)來計算周期間隔Lz,則周期間隔Lz成為
此外，半導體發(fā)光元件與半導體激光器不同，其發(fā)光光譜寬，所以也可以 考慮在空氣中的半幅值A(chǔ)入來設(shè)定周期間隔Lz。即，對應于從發(fā)光^f值波長人 偏移了 的波長XiAX來設(shè)定周期間隔Lz，也具有發(fā)光效率改善的效果。此處， 所謂半幅值A(chǔ)X，是指從發(fā)光峰值波長X至發(fā)光強度成為1/2的波長的波長幅度。 考慮了半幅值時的周期間隔L z的范圍可以表示為
<formula>formula see original document page 15</formula>
(5)
u nzU—M)表示波長人-A人時的ZnO層的折射率，nz a+M)表示波長X + 時的 ZnO層的折射率。此處也是實質(zhì)上1次衍射光的強度最強，因此，可以以m二l 期間隔U。即，可以設(shè)定為滿足
〔式6〕
隨
<formula>formula see original document page 15</formula>(6)
的周期間隔L,。在這種情況下，例如，設(shè)波長a^450nm，半幅值A(chǔ)人為15nm, 0,二25.8°,波長人時的ZnO的折射率nz、與波長X + A人時的ZnO的折射率nz (人+ w相等，都是2.3,則根據(jù)式(6)，周期間隔U成為189nmSL^358nm。
進而，如上述那樣，衍射光50與衍射光52相互增強的角度9m小于全反射 角Oz的情況下是最希望的，但實質(zhì)上即使0m小于ez的2倍，也具有發(fā)光效率改 善的效果。即em也可以是(^en^2ez的范圍。此時，周期間隔Lz的范圍可以表
示為
<formula>formula see original document page 15</formula>
(7)
」此處也是實質(zhì)上1次衍射光的強度最強，因此，可以以m=l來設(shè)定周期間隔 :.,。即，優(yōu)選設(shè)定為滿足
.........(8)
的周期間隔Lz。在這種情況下，例如，設(shè)波長人=450應，半幅值A(chǔ)X為15nm， 0尸25.8。，波長X時的ZnO的折射率iia與波長X + 時的ZnO的折射率nz (人+ m)相等，都是2.3，則根據(jù)式(8)，周期間隔Lz成為189nm^L^935nm。
在第1實施方式中，對在ZnO層24的表面形成凹部的情況進行了說明， 而在ZnO層24不是形成凹部，而是形成凸部，也同樣具有光取出效率改善的效 果。另外，在上述說明中，對半導體發(fā)光元件IO在空氣中發(fā)光的情況進行了說 明，但也可以是半導體發(fā)光元件IO被熒光體、透光性樹脂覆蓋的狀態(tài)。在這種 情況下，在求全反射角9z時，不是使用空氣的折射率，而是只^^吏用作為與ZnO 層24相接的介質(zhì)的熒光體、透光性樹脂的折射率，就能適用上述式(3) ~ (8)。
(第2實施方式)
圖6是本發(fā)明的第2實施方式的半導體發(fā)光元件的剖面圖。如圖6所 示，半導體發(fā)光元件60是層疊了作為接觸層的p型GaN層32、 InGaN發(fā) 光層18、以及作為接觸層的n型GaN層16的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN系半導 體發(fā)光元件，其中，所述p型GaN層32由作為接觸層的p型GaN22和作 為包層的p型AlGaN層20構(gòu)成。第2實施方式的半導體發(fā)光元件60的 發(fā)光觀測面是n型GaN層16側(cè)。
第2實施方式的半導體發(fā)光元件60，首先在藍寶石襯底上層疊n型 GaN層16、InGaN發(fā)光層18、 p型AlGaN層20、以及p型GaN層22。 至此是與第1實施方式的半導體發(fā)光元件10同樣的工藝，但這之后，利 用激光剝離(laser lift-off)將藍寶石襯底和緩沖層剝離。作為激光，可以 使用波長248nm的KrF激光。
在通過剝離藍寶石襯底和緩沖層而露出的n型GaN層16的表面，以 二維的周期性間隔形成多個凹部30。所謂n型GaN層16的表面，是指與 GaN層16和InGaN發(fā)光層18相接的面相對的面。凹部30也可以如圖2 所示那樣配置形成正方晶格狀。此外，凹部30也可以如圖3所示那樣配 置形成三角晶格狀。
凹部30的俯視形狀例如也可以如圖2或圖3所示那樣為圓形，此外，也可 以是四角形、六角形。其直徑或1邊的長度可以是100nm左右。凹部30的深度 可以是500nm左右。
凹部30可以與第1實施方式中的半導體發(fā)光元件10 —樣，通過進行RIE 法等干蝕刻來形成。雖然由于對n型GaN層16進行干蝕刻也會產(chǎn)生氮空穴， 導致n型GaN層16的表面n型化，但由于n型GaN層16原本就是n型， 所以不會成為被施加逆偏置的狀態(tài)，正向電壓不會上升。
形成凹部30后，利用蝕刻除去p型GaN層22、p型AlGaN層20、 InGaN 發(fā)光層18和n型GaN層16的一部分區(qū)域。蝕刻至n型GaN層16中部， 在露出的n型GaN層16的上面形成n側(cè)電極28。
之后，在p型GaN層22上形成p側(cè)電極26。半導體發(fā)光元件60的 發(fā)光觀測面在n型GaN層16側(cè)，所以不需要在p型GaN層22上形成ZnO 的透明電極層，而在n型GaN層16上直接形成p側(cè)電極26。 p側(cè)電極26 優(yōu)選使用Pt/Au等。關(guān)于p側(cè)電極26的厚度，Pt可以是1OOOA左右，Au 可以是3000A左右。
在第2實施方式的半導體發(fā)光元件60中，由于在n型GaN層16的 表面以二維周期性間隔形成有凹部，所以來自InGaN發(fā)光層18的光被衍 射。衍射光中以小于n型GaN層16與空氣的界面的全反射角9g的角度入射到 界面的衍射光不被全反射，被取出到半導體發(fā)光元件60的外部，因此，能夠 才是高光取出效率。
凹部30的周期間隔Lg，優(yōu)選在滿足
的范圍內(nèi)進行設(shè)定。X表示來自InGaN發(fā)光層18的光在空氣中的峰值波長， iV表示該波長X時的n型GaN層16的折射率。
通過以滿足式(9)的周期間隔Lg在n型GaN層16的表面形成凹部 30,能將衍射光取出到半導體發(fā)光元件60的外部，可以提高光取出效率。 例如，若波長^450nm， n型GaN層16的折射率ngf2.5，全反射角eg=23.6。， 使用上述式(9)來計算周期間隔Lg,則周期間隔Lg成為180nmSL^300nm。
此外，與第1實施方式一樣，考慮半導體發(fā)光元件60的半幅值A(chǔ)X設(shè)定周 期間隔Lg,也能提高光取出效率。即，相鄰的凹部30的周期間隔Lg也可
以在
<formula>formula see original document page 18</formula>)
的范圍內(nèi)。ngUi)表示波長X-A人時的n型GaN層16的折射率，nga+A J 表示波長人+ AX日于的n型GaN層16的折射率。
進而，與第i實施方式一樣，衍射光相互增強的角度em在o^em^2eg的
范圍內(nèi)時也能提高光取出效率。即，相鄰的凹部30的周期間隔Lg也可以
<formula>formula see original document page 18</formula>的范圍。
圖7是表示本發(fā)明的第2實施方式的半導體發(fā)光元件的變形例的圖。 在圖7所示的半導體發(fā)光元件62中，藍寶石襯底12和緩沖層14不相剝 離，在從ZnO層24側(cè)蝕刻至n型GaN層16的中部而露出的n型GaN層 16的表面的、形成n側(cè)電極28的區(qū)域以外的位置，形成有凹部30。另夕卜， 由于在圖7中對凹部30的大小進行了放大描繪，所以只描繪了 1個凹部 30，而實際上是形成有多個凹部30。
在InGaN發(fā)光層18所發(fā)出的、被緩沖層14與藍寶石襯底12的界面 反射的光入射到形成了凹部30的區(qū)域時，該光,皮凹部30書t射，所以前進 方向發(fā)生改變，可以不被全反射地取出到半導體發(fā)光元件62的外部。由 于在半導體發(fā)光元件60中也在n型GaN層16形成有凹部，所以不會由 于n型GaN層16的表面n型化而導致正向電壓上升。
在第2實施方式中，對在n型GaN層16的表面形成凹部的情況進行了說 明，但在n型GaN層16不形成凹部，而是形成凸部，也同樣具有光取出效率 改善的效果。而且，在上述說明中，對半導體發(fā)光元件60或62在空氣中發(fā)光 的情況進行了說明，但也可以是半導體發(fā)光元件60或62被熒光體、透光性樹 脂覆蓋的狀態(tài)。在這種情況下，在求全反射角0g時，不是使用空氣的折射率， 而只需使用作為與n型GaN層16相接的介質(zhì)的熒光體、透光性樹脂的折射率，就能適用上述式(9) ~ (11)。
(第3實施方式)
圖8是本發(fā)明的第3實施方式的半導體發(fā)光元件的剖面圖。如圖8所 示，半導體發(fā)光元件70是在SiC襯底40上層疊了作為接觸層的n型GaN 層16、 InGaN發(fā)光層18、以及p型GaN層32的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN系半 導體發(fā)光元件，其中，所述p型GaN層32由作為包層的p型AlGaN層 20和作為接觸層的p型GaN22構(gòu)成。半導體發(fā)光元件70的發(fā)光觀測面是 Zn()層24側(cè)或者SiC襯底40側(cè)。在將ZnO層24側(cè)作為發(fā)光觀測面的情 況下，在使用半導體發(fā)光元件70時，可以在SiC襯底40與安裝襯底之間 設(shè)置例如由銀(Ag)構(gòu)成的反射板(未圖示)。通過設(shè)置反射板，可以使 從SiC襯底40側(cè)射出的光反射至作為發(fā)光觀測面的ZnO層24側(cè)。
第3實施方式的半導體發(fā)光元件70是通過使GaN系半導體在SiC襯 底40上外延生長而形成，之后，在SiC襯底40的表面形成凹部30。在 Zn()層24上具有作為透明電極發(fā)揮作用的ZnO層24,但沒有在ZnO層 24形成凹4卩。
由于SiC與藍寶石不同，是具有導電性的，所以不需要象第1或第2 實施方式那樣對p型GaN層、InGaN發(fā)光層等進行蝕刻來形成連接n型 GaN層16的n側(cè)電極的工藝，可以謀求使制造工藝簡單化和提高可靠性。
在SiC襯底40的表面以二維的周期性間隔形成多個凹部30。所謂SiC 襯底40的表面，是指與SiC襯底40和n型GaN層16相接的面相對的面。 凹部30也可以如圖2所示那樣配置形成正方晶;格狀。此外，凹部30也可 以如圖3所示那樣配置形成三角晶格狀。
凹部30的俯浮見形狀例如可以如圖2或圖3所示那樣為圓形，此外，也可以 是四角形、六角形。其直徑或1條邊的長度可以是100nm左右。凹部30的深度 可以是500nm左右。
凹部30可以與第1實施方式中的半導體發(fā)光元件10 —樣通過進行RIE法 等干蝕刻來形成。即使對SiC襯底40進行干蝕刻，也不會產(chǎn)生等離子損傷所 導致的正向電壓上升的問題。
在SiC襯底40上的沒有形成凹部30的一部分區(qū)域i殳置n側(cè)電極28。 n 惻電極28優(yōu)選形成在SiC襯底40的表面中央附近。n側(cè)電極28還作為反
射層發(fā)揮作用，可以使用Ni、 Ti、 Ni/Ti/Au、或者NiTi合金(Alloy)等。 n側(cè)電極28的厚度可以是2500A左右。
在ZnO層24上的一部分區(qū)域形成p側(cè)電極26。在將SiC襯底40用 作襯底時，優(yōu)選在ZnO層24的表面中央附近形成p側(cè)電極26。 p側(cè)電極 26優(yōu)選使用Pt/Au等。關(guān)于p側(cè)電極26的厚度，Pt可以是1000A左右， Au可以是3000A左右。
在第3實施方式的半導體發(fā)光元件70中，由于在SiC襯底40的表面 以二維周期性間隔形成有凹部，所以從InGaN發(fā)光層18向SiC襯底40方 向射出的光在SiC襯底40與空氣的界面衍射。向與SiC襯底40的法線呈 小于全反射角A的角度的方向被衍射的光，不被SiC襯底40與空氣的界面全 反射，能夠取出到半導體發(fā)光元件70的外部，能夠提高光取出效率。
凹部30的周期間隔Ls,優(yōu)選在滿足
<formula>formula see original document page 20</formula>
的范圍內(nèi)進行設(shè)定A表示來自InGaN發(fā)光層18的光在空氣中的峰值波長， n,;.表示該波長X時的SiC襯底40的折射率，A表示SiC襯底與空氣的界面
的全反射角。
通過以滿足式(12)的周期間隔Ls形成凹部30,能將衍射光取出到 半導體發(fā)光元件70的外部，能夠提高光取出效率。例如，若波長1=450腿， SiC襯底40的折射率nsX=2.65， es=22.2。，使用上述式(12)來計算周期間隔 Ls，則周期間隔Ls成為170nm^L^273腿。
此外，考慮半導體發(fā)光元件70的半幅值A(chǔ)X地設(shè)定周期間隔Ls,也能提高 光取出效率。即，相鄰的凹部30的周期間隔Ls也可以在<formula>formula see original document page 20</formula>………(13)
的范圍。ns ( l A>_!表示波長X - AI時的SiC襯底40的折射率，ns tx+A)^表示波 長X十A人日t的SiC襯底40的折射率。
進而，衍射光相互增強的角度em在(^en^2es的范圍時，也能提高光取
出效率。即，相鄰的凹部30的周期間隔U也可以在
20
mm
4L^
max'
.........(14)
的范圍。
在第3實施方式中，對在SiC襯底40的表面形成凹部的情況進行了說明， 但在SiC襯底40的表面不是形成凹部，而是形成凸部，也同樣具有光取出效 率改善的效果。另外，在上述說明中，對半導體發(fā)光元件70在空氣中發(fā)光的情 況進行了說明，但也可以是半導體發(fā)光元件70被熒光體、透光性樹脂覆蓋的狀 態(tài)。在這種情況下，不是使用空氣的折射率，而只需使用作為與SiC襯底40 相接的介質(zhì)的焚光體、透光性樹脂的折射率，就能適用上述式(12) ~ (14)。
(第4實施方式)
圖9是本發(fā)明的第4實施方式的半導體發(fā)光元件的剖面圖。如圖9所 示，半導體發(fā)光元件80是在SiC襯底40上層疊了作為接觸層的n型GaN 層16、 InGaN發(fā)光層18、以及p型GaN層32的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN系半 導體發(fā)光元件，其中，所述p型GaN層32由作為包層的p型AlGaN層 20和作為接觸層的p型GaN22構(gòu)成。第4實施方式的半導體發(fā)光元件80 的發(fā)光觀測面是ZnO層24側(cè)或SiC襯底40側(cè)。與第3實施方式一樣，也 可以在實際安裝時設(shè)置反射板。
第4實施方式的半導體發(fā)光元件80在設(shè)置于p型GaN層22上的ZnO 層24的表面形成凹部38這一點上，與第3實施方式的半導體發(fā)光元件70 不同。在SiC襯底40的表面與第3實施方式一樣地形成凹部30。
在ZnO層24的表面以二維的周期性間隔形成多個凹部38。所謂ZnO 層24的表面，是指與ZnO層24和p型GaN22相接的面相對的面。凹部 38的配置、形狀等與第1實施方式的半導體發(fā)光元件IO相同，周期間隔 L,可以適用式(3) - (8)進行設(shè)定。只是在將SiC襯底40用作襯底時， p側(cè)電極26優(yōu)選形成在ZnO層24的表面中央附近。
第4實施方式的半導體發(fā)光元件80由于在ZnO層24的表面以二維 周期性間隔形成有凹部38，所以從InGaN發(fā)光層18向ZnO層24方向射 出的光被衍射。衍射光中以小于ZnO層24與空氣的界面的全反射角ez的角度 入射到界面的衍射光不被全反射，能夠取出到半導體發(fā)光元件80的外部。此外，
形成在SiC襯底40的表面的凹部30的效果，與第3實施方式的半導體發(fā) 光元件70的情況相同。
第4實施方式的半導體發(fā)光元件80中，與第1實施方式一樣，不是 在p型GaN層22，而是在ZnO層24形成有凹部，所以不會引起干蝕刻 時的等離子損傷所造成的p型GaN層22表面的n型化，不會使正向電壓 上升。此外，與第3實施方式一樣，即使對SiC襯底40進行干蝕刻，也不 會引起等離子損傷所導致的正向電壓上升。
以上基于實施方式對本發(fā)明進行了說明。這些實施方式只是例示，可 以對其各個構(gòu)成要素、各處理流程的組合進行各種各樣的變形，本領(lǐng)域技
術(shù)人員能夠理解這些變形例也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。 〔工業(yè)可利用性〕
本發(fā)明可利用于移動電話等所使用的半導體發(fā)光元件。
權(quán)利要求
1.一種在襯底上層疊了n型GaN層、發(fā)光層、p型GaN層的半導體發(fā)光元件，其特征在于在上述p型GaN層上設(shè)置MgxZn1-xO層(0≤x≤0.5)，在上述MgxZn1-xO層(0≤x≤0.5)的表面，以二維的周期性間隔形成凹部或者凸部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 在將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的波長記為人，將該波長人時的上述Mg、Zn, —xO層(0^^0.5 )的折射率記為nz,、，將上述MgxZni —xO層(0^^0.5 ) 和與其相接的介質(zhì)的界面的全反射角記為0z時，相鄰的凹部的周期間隔或者相<formula>formula see original document page 2</formula>范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 在將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的波長記為X，將該波長X時的上述 MgxZni-xO層(0￡x$0.5 )的折射率記為nA，將來自上述發(fā)光層的光在空氣 中的半幅值記為AL將波長X-AX時的上述MgxZni—xO層(0^x^0.5)的 折射率記為nzun),將波長X + AX時的上述MgxZn卜xO層()的折射 率記為nzU+M>,將上述MgxZni—xO層(0Sx^).5 )和與其相接的介質(zhì)的界面<formula>formula see original document page 2</formula>范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 在將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的波長記為L將該波長X時的上述 MgxZn^O層(0^x^0.5)的折射率記為nz、，將來自上述發(fā)光層的光在空氣 中的半幅值記為A入，將波長X - AX時的上述MgxZni—xO層(0^x^0.5 )的 折射率記為nz(m)，將波長X + AX時的上述MgxZn,-xO層(0$x^).5 )的折射 率記為nzQi)，將上述MgxZn,-xO層(0Sx^).5 )和與其相接的介質(zhì)的界面 的全反射角記為9z時，相鄰的凹部的周期間隔或者相鄰的凸部的周期間隔Lz在<formula>formula see original document page 3</formula>范圍內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 上述形成于MgxZnj-xO層(0Sx￡0.5)的凹部或者凸部，被配置成正方晶格狀或者三角晶格狀。
6. —種層疊了 p型GaN層、發(fā)光層、n型GaN層的半導體發(fā)光元件， 其特征在于在上述n型GaN層的表面，以二維的周期性間隔形成凹部或者凸部。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 在將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的波長記為X，將該波長X時的上述n型GaN層的折射率記為1^，將上述n型GaN層和與其相接的介質(zhì)的界面<formula>formula see original document page 3</formula>范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 在將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的波長記為X，將該波長X時的上述 n型GaN層的折射率記為n^，將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的半幅值記 為AX，將波長X-時的上述n型GaN層的折射率記為ngu-A;J，將波長X + /U時的上述n型GaN層的折射率記為nga+A J ，將上述n型GaN層和與 其相接的介質(zhì)的界面的全反射角記為0g時，相鄰的凹部的周期間隔或者相鄰的 凸部的周期間隔Lg在<formula>formula see original document page 3</formula>范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 在將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的波長記為X，將該波長入時的上述 n型GaN層的折射率記為iv,將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的半幅值記 為AX，將波長X-AX時的上述n型GaN層的折射率記為ngu-^),將波長X + 時的上述n型GaN層的折射率記為ng a+Aw ,將上述n型GaN層和與 其相接的介質(zhì)的界面的全反射角記為0g時，相鄰的凹部的周期間隔或者相鄰的 凸部的周期間隔Lg在<formula>formula see original document page 4</formula>范圍內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 形成于上述n型GaN層的凹部或者凸部，被配置成正方晶格狀或者三角晶才各^夫。
11. 一種在襯底上層疊了 n型GaN層、發(fā)光層、p型GaN層的半導體 發(fā)光元件，其特征在于上述襯底是SiC襯底，在上述SiC襯底的表面，以二維的周期性間隔形成凹部或者凸部。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 在將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的波長記為X,將該波長X時的上述SiC襯底的折射率記為ru,將上述SiC襯底和與其相接的介質(zhì)的界面的全反<formula>formula see original document page 4</formula>范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 在將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的波長記為X，將該波長X時的上述 SiC襯底的折射率記為iu，將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的半幅值記為 A人，將波長X- A人時的上述SiC襯底的折射率記為ns(u,將波長人+ A人時的上述SiC襯底的折射率記為nsa+Av ，將上述SiC襯底和與其相接的介質(zhì)的 界面的全^^射角記為A時，相鄰的凹部的周期間隔或者相鄰的凸部的周期間隔 U在<formula>formula see original document page 5</formula>范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 在將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的波長記為X,將該波長人時的上述 SiC襯底的折射率記為ns,，將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的半幅值記為 /U,將波長X - AX時的上述SiC襯底的折射率記為nsa 將波長^+ 時 的上述SiC襯底的折射率記為nsa+M)，將上述SiC村底和與其相接的介質(zhì)的Ls在<formula>formula see original document page 5</formula>n"(1-sin2 0S) n"m) (1-sin2 0S) ns(義";i) (1-sin2 Ss)范圍內(nèi)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于形成于上述SiC襯底的凹部或者凸部，i皮配置成正方晶格狀或者三角晶格狀。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于在上述p型GaN層上設(shè)置MgxZni -xO層(0^^0.5 )， 在上述MgxZn—xO層(0Sx￡0.5)的表面，以二維的周期性間隔形成凹部或者凸部。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 在將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的波長記為人，將該波長X時的上述Mg\Zni —\0層(0^x^0.5 )的折射率記為nz;、，將上述MgxZn| —xO層(0^x^0.5 ) 和與其相接的介質(zhì)的界面的全反射角記為^時，相鄰的凹部的周期間隔或者相鄰的凸部的周期間隔Lz在<formula>formula see original document page 6</formula>范圍內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 在將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的波長記為X，將該波長X時的上述 Mg、Zn卜xO層(0^x^0.5)的折射率記為將來自上述發(fā)光層的光在空氣 中的半幅值記為AX，將波長X-時的上述MgxZn卜xO層(0^x^0.5)的 折射率記為nzU_—A)J，將波長人+ zU時的上述MgxZn,—xO層(0^x^0.5)的折射 率記為nza+紋)，將上述MgxZn卜xO層(0^^0.5)和與其相接的介質(zhì)的界面<formula>formula see original document page 6</formula>范圍內(nèi)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于 在將來自上述發(fā)光層的光在空氣中的波長記為X，將該波長X時的上述Mg、Zn卜、0層(05x^0.5)的折射率記為nz"將來自上述發(fā)光層的光在空氣 中的半幅值記為AX,將波長X-AX時的上述MgxZni-xO層(0^x^0.5)的 折射率記為nz^-A l)，將波長X + AX時的上述MgxZn卜xO層(0^cS0.5 )的折射 率記為nzd^)，將上述MgxZn^O層(0^x^0.5)和與其相接的介質(zhì)的界面 的全反射角記為6z時，相鄰的凹部的周期間隔或者相鄰的凸部的周期間隔Lz在范圍內(nèi)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16至19中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于形成于上述MgxZn|—xO層的凹部或者凸部，^皮配置成正方 晶格狀或者三角晶格狀。
全文摘要
提高半導體發(fā)光元件的光取出效率。半導體發(fā)光元件(10)在藍寶石襯底(12)上層疊有緩沖層(14)、n型GaN層(16)、InGaN發(fā)光層(18)、p型GaN層(32)。在p型GaN層(32)上，設(shè)置作為透明電極發(fā)揮作用的ZnO層24，在ZnO層(24)的表面，以二維的周期性間隔形成凹部。在將來自InGaN發(fā)光層(18)的光在空氣中的波長記為λ，將該波長λ時的ZnO層的折射率記為n_zλ，將ZnO層和與其相接的介質(zhì)的界面的全反射角記為θ_z時，進行設(shè)定使得相鄰的凹部的周期間隔L_z在λ/n_zλ≤L_z≤λ/(n_zλ×(1-sinθ_z))范圍內(nèi)。
文檔編號H01L33/38GK101180745SQ200680018108
公開日2008年5月14日 申請日期2006年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
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